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这种思想基于引力可使光线发生弯曲这一事实。爱因斯坦预言，如果一束星光从太阳附近通过，它就会发生少量的弯曲，导致恒星在天空中的视位置发生位移。在同一天体附近有无太阳的情况下，比较这颗恒星的位置就可检验这个预言。1919 年，阿瑟·爱丁顿( Arthur Eddington )首先做了这种检验，并出色地证实了爱因斯坦的预言。
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图 6-1 引力透镜 大质量天体（图中用一个球表示）的引力使远方光源 S 射来的光线发生弯曲。在适当的条件下这个作用会产生聚焦效应。焦点上的观测者会看到天体周围出现一个光圈。
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引力透镜同样使光线发生弯曲，这样可以使光线聚焦而成像。如果某个引力天体对称性很好，它就能起到透镜的作用，可以使逐远光源射来的光线聚焦。图 6-1 表明了这种情况。从源 S 来的光线落到球形天体上，天体的引力使它周围的光线弯曲，并把光线引向另一侧的焦点。这种弯曲效应对多数天体而言是很微弱的，但在天文学距离尺度上，即使光在路途中发生微小的弯曲最终也会产生一个焦点。如果这个天体位于地球和遥远的 S 源之间，那么这一效应会使 S 的像大大地增亮，或在一些特殊情况下视线方向恰到好处，便会表现为一个明亮的光圈，称为爱因斯坦圈。对形状比较复杂的天体，透镜效应很可能会产生多重像，而不是单一的聚焦像。天文学家在宇宙学尺度上已经发现若干个与大质量星系有关的引力透镜，它使遥远的类星体形成多重像。此外还发现了一些因透镜作用由类星体形成的光弧和完整的光圈。这种情况的出现是因为居间星系同类星体差不多恰好位于同一视线方向上。
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对于暗行星和低光度白矮星，如果它们恰好位于地球和某颗恒星之间，就应当出现透镜效应，而天文学家便可搜索能揭示这种效应的信号。当暗天体穿过视线时，恒星像的亮度会以一种特有的方式表现出时强时弱的变化。虽然天体本身还是没能看见，但是，从透镜效应可以推断它的存在。一些天文学家正在试图用这种技术来搜索银晕中的暗天体。尽管与遥远的恒星恰好位于同一视线方向上的概率非常非常小，但如果在那里有足够多的暗天体，就应当能观测到引力透镜效应。
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黑洞也会起到引力透镜的作用，这方面已经做了广泛的搜索，以利用河外射电源（透镜对射电波的作用方式与光波相同）来确定黑洞个数的范围。结果发现可能的候选天体为数甚少，由此给人以这样的印象：用恒星或星系级质量的黑洞来解释存在大量暗物质是不大可能的。
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但是，并非所有的黑洞都会在透镜效应普查工作中显示出来。很可能大爆炸后不久，早期宇宙盛行的极端条件有利于微黑洞的形成，它们也许不会比原子核大。这种天体的质量应当等于一颗小行星的质量。许多质量可以以这种形式隐藏起来，它们遍布于整个宇宙，而我们却观测不到。令人惊讶的是，甚至有可能通过观测来确定这些怪异实体的数量范围，其理由涉及称为霍金效应的一种现象，我将在第七章中对此作出解释。简单地说，微黑洞的爆发可能表现为一阵荷电粒子雨，爆发是在经历一段确定的时间之后发生的，而时间的长短则取决于黑洞的大小：黑洞越小，爆发得越早。小行星质量的黑体将在 100 亿年后爆发，也就是说大约就发生在今天。这种爆发的一个效应是要产生突发性的射电脉冲，对此射电天文学家一直在进行检测。因为连一个有希望的脉冲也没有探测到，由此得出的结论是，每立方光年空间每 300 万年只能发生一次爆发。这意味着至少就小行星质量大小的微黑洞而言，它们只占宇宙质量的很小一部分。
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总的来说，不同天文学家所估计的宇宙暗物质数量各不相同。可能的情况是，暗物质与发光物质的质量比至少为 10 比 1 ，有时也援引 100 比 1 这类比值。令人吃惊的是，天文学家居然不知道宇宙主要由什么东西组成。他们长期以来认为宇宙的主要成分是恒星，结果发现恒星只占了宇宙总质量中相当小的一部分。
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对宇宙学家来说，关键问题是有没有足够的暗物质能阻止宇宙膨胀。如果能够的话，暗物质的数量与可见物质之比必定更接近 100 倍而不是只有 10 倍。虽然实际情况或许恰恰如此，但这毕竟只是一个纸面上的数值。由于宇宙的最终命运完全取决于这一答案，因而人们寄希望于对暗物质的搜寻会很快给出孰是孰非的明确答案。
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与此同时，一些理论学家相信，只要通过计算就有可能估计宇宙的重量，而无需直接进行困难重重的观测工作。有一种传统信念认为，人类仅仅依靠合理推理的能力便有可能对宇宙的奥秘作出预测，这可以追溯到古希腊哲学家。在科学时代，有些宇宙学家一直企图根据一套深奥的原理，系统地导出一些数学公式，从这些公式应当可以得出数值确定的宇宙的质量。特别诱惑人的那些体系就是根据某种数灵学公式来确定宇宙中粒子准确数目的。这种学究式的冥思苦想一直没有得到大多数科学家的赞同，虽然它们也许很有诱惑力。但是，近年来开始流行一种比较令人信服的理论，因为它对宇宙质量作出了某种明确的预言。这就是第三章讨论过的暴胀演化图象。正如前面所解释的那样，暴胀理论有一项预言涉及宇宙的膨胀速度，其结论接近于观测值。事实上，这项预言比观测值更精确。暴胀相的效应会把宇宙恰好推到临界膨胀速度，结果宇宙正好摆脱自己的引力，并永恒膨胀下去。因此，暴胀理论预言，宇宙所包含的恰好就是临界物质重量，而宇宙便处于继续膨胀和重返坍缩的分界线上。
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就今天的知识水平而言，我们还无法断定宇宙会不会永远膨胀下去。如果它再次收缩，问题便在于这将会在什么时候发生。答案完全取决于宇宙重量超过临界重量究竟有多少。如果超过百分之一，那么在大约 1 万亿年后宇宙将再次收缩；如果超过百分之十，收缩会提早到 1000 亿年后发生。
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如果暴胀理论是正确的话，它同上述问题之间的关系是很有趣的。当然，这种理论的描述是理想化的。严格地说，暴胀相必须延续无限长时间才能达到这个临界值。实际上这个阶段所经历的时间非常短。因此，宇宙的实际质量会比这一临界值稍大一些，或者稍小一些。对前一种情况，坍缩最终总要出现。暴胀理论中很奇怪的一点在于向这个临界值的逼近，是按指数规律极快进行的，这意味着在经过一段极短时间的暴胀之后，宇宙实际上所具有的重量已非常接近这个临界值。因此，宇宙遥远的未来与爆炸后第一秒钟时间内暴胀行为的具体细节有着非常密切的关系。
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为了引入一些数字，可能的情况是暴胀相开始于大爆炸之后仅 10-34 秒。在第三章中我把这段时间称之为一个滴答。暴胀可能延续几百个滴答，然后就结束了。由于时间有限，暴胀必定是不充分的，随后所产生的宇宙其重量非常非常接近而又不完全等于临界值。如果实际重量比临界值来得大，那么经过漫长的岁月，宇宙会再次收缩。
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按指数规律迅速逼近临界值这一事实，意味着宇宙的寿命取决于暴胀相的寿命，而且后者对前者的影响十分敏感。粗略地说，要是暴胀每多坚持一个滴答，宇宙开始再收缩前所经历的时间就会增加 1 倍。因此，譬如说 100 个滴答的暴胀导致宇宙在 1000 亿年后再收缩，那么 101 个滴答会使再收缩发生在 2000 亿年以后，而 110 个滴答的暴胀暗示收缩发生在 102400 亿年以后，依此类推。因为我们对宇宙暴胀是 100 个滴答还是 1000 个滴答一无所知，所以也无法肯定经过多长时间宇宙才开始收缩。但是很明显，这大概总是发生在未来某个很遥远的时刻。除非在数字上出现某种特别的巧合，否则再收缩的时刻应当与我们人类在宇宙中出现并生存下来的时间无关。所以我们可以预料，如果再收缩会发生的话，也只会经过漫长的时间之后才会发生，这段时间是目前宇宙年龄的许多倍。如果情况确实如此（它还取决于暴胀理论所用的方法是正确的），那就是用我们最好的天文观测仪器也无法确定宇宙的重量究竟在临界值的哪一侧。在这种情况下，人类永远不会知道自己所居住的宇宙有着怎样的最终命运。
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宇宙的最后三分钟 [:1700906555]
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宇宙的最后三分钟 第七章 悠悠岁月
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对无限来说很重要的一点是它并不仅仅是一个很大的数。无限与那种只是大得出奇，甚至大得令人无法想象的事物有着完全不同的质的差别。设想宇宙永无终结之日，它能永远存在下去，就意味着应当有无限长的寿命。如果情况确实如此，那么任何物理过程，不管它发展得多么缓慢，或出现的可能性多么的小，都必定有发生的一天。这好比一只猴子在打字机上乱敲，只要一直打下去，最终总会打出威廉·莎士比亚的杰作来。
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我在第四章中已经讨论过的引力波发射现象就是个很好的例子。只有对那些最激烈的天文过程来说，以引力辐射形式损失的能量才会产生显著的变化。地球绕太阳的轨道运动会引起大约 1 毫瓦功率的发射，它对地球运动的影响非常非常小。但是，即使流失功率只有 1 毫瓦，只要延续几万亿年甚至更长的时间，最终也会使地球沿螺旋式的运动轨道落到太阳上。当然，在此之前地球很可能早就被太阳吞食掉了。然而，问题是一些发展得非常慢，因而对人类时标来说可以忽略不计的过程，只要持之以恒，最终总会取得支配地位，从而决定物理系统的最终命运。
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让我们想象在非常非常遥远的未来，譬如说 1 亿亿亿年以后的宇宙状态。那时恒星早已燃烧完毕，宇宙一片黑暗。但是，宇宙并非空无一物。在一片漆黑的浩瀚太空中潜伏着许多带自转的黑洞、离散的中子星和黑矮星，甚至还有一些行星级天体。在那个时代，这类天体的密度是极低的，宇宙已膨胀到现有尺度的 1 亿亿倍。
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引力会竭尽全力进行一场奇特的战斗。膨胀中的宇宙力图使每个天体同其邻居间的距离拉开，而天体相互间的引力吸引则起相反的作用，力图使天体团聚在一起。结果是，天体的某些集团，如星系团或经过数十亿年结构退化后权充的星系，仍然被引力束缚在一起，但这些集团与它们邻近集团间的距离一直在越走越远。这场争斗的最后结局取决于膨胀速度减速过程的具体情况。宇宙中物质的密度越低，越是会促使这些天体集团摆脱开它们的邻居，自由自在地各奔东西。
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在一个引力束缚系统内，缓慢然而却不可抗拒的引力过程发挥了它们的优势。引力波发射虽然很微弱，但不露形迹地在消耗着系统的能量，结果便造成一种缓慢转动的死亡旋涡。死亡的恒星以渐进的方式非常缓慢地接近其他的死星或者黑洞，接着大规模地相互吞食并结合在一起。通过引力波辐射使太阳绕银心的轨道运动衰退下去需要 1 亿亿亿年时间，结果是表现为一个黑矮星残骸悄无声息地滑向银心，在那里有一个巨大无比的黑洞正等待着把它吞食掉。
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但是，死亡了的太阳并非一定会以这种方式接受自己的葬礼。因为当它慢慢地向内漂移时，偶尔也会遇到其他一些恒星。有时它会接近一个双星系统——被引力作用紧紧拥抱而锁在一起的一对恒星。接下来的一段时间涉及到称为引力弹弓的一种奇特现象。处在互绕轨道上的两个天体所表现的运动方式之简单是很典型的。正是这类问题使开普勒和牛顿为之着迷，并促成了现代科学的诞生，他们所研究的是行星绕太阳的转动。在理想情况下，同时不考虑引力辐射，那么行星的运动是规则的，而且是周期运动。不管你等待多久，这颗行星会在完全相同的轨道上一直运动下去。但是，如果有第三个天体存在，譬如说一颗恒星和两颗行星，或者三颗恒星，情况就完全不同了，这时不再是简单的周期性运动。三个天体间相互作用力的图象总是以一种复杂的方式在不断地改变。结果，系统的能量并不是均分给它的各个成员，即使对完全相同的天体也不例外。相反，出现的是一场复杂的舞蹈，在这场舞蹈中，一个天体先获得最大的能量份额，接着便轮到另一个天体。经过很长时间之后，系统的行为可以是完全随机的：事实上，引力动力学的三体问题是所谓混沌系统的一个很好的例子。其中两个天体碰巧会结成一帮，并把它们的大部分能量赋予第三个天体，结果后者便会一下子完全弹出这个系统，就像弹弓射出的弹子一样。引力弹弓这个名称便由此而来。
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这种弹弓机制可以把恒星抛出星团，或脱离整个星系。在遥远的未来，绝大多数死星、行星和黑洞会通过这种方式被抛入星系际空间，它们也许会遇到另一个正在瓦解中的星系，或永远漫游在膨胀着的浩瀚太空之中。但是，这个过程是缓慢的：所需的时间是今天宇宙年龄的 10 亿倍。相反，剩下百分之几的天体会向星系中心移动，并合并而形成一些巨大的黑洞。
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